冻结过程中冰透镜体生长规律研究

针对现有冰透镜体判断准则存在的不足,文章采用土体抗拉强度作为分离强度,不仅明确了分离强度的物理意义,而且还考虑了土体强度对分凝冰形成的影响。依据考虑土体变形的冻胀模型,对冰透镜体生长规律进行了分析。结果表明:冰透镜体的形成位置受温度边界的影响明显。冰分凝量受水分迁移量的制约,导致分凝冰的产生过程有3个阶段:未形成分凝冰、形成少量不连续的分凝冰、末分凝冰生长及发展。冻胀主要由末分凝冰的发育程度控制。冰分凝量随着荷载的增大呈现指数式衰减。     

线性降温对土中分凝冰形成影响的试验研究

对分凝冰现象的研究是理解冻土中各类复杂现象的关键。为研究上覆荷载作用下,线性降温模式的分凝冰形成规律,利用高低温交变箱,进行开放系统下土体的一维连续冻结试验。选取3个冷端初始温度,3个上覆荷载进行正交试验,比较分析每个试验条件下试样内部温度场的变化规律、冻结锋面随时间的推进规律、冻胀量变化规律以及水分的迁移情况。试验结果表明:上覆荷载越小,冷端初始温度越低,土样内部温度越低,含水率越高,冻胀量越大。     

冻土的本构关系

对冻土的应力-应变特性进行了深入研究,在姚仰平等考虑温度的UH模型的基础上,提出考虑温度影响适用于冻土的UH模型。与原有考虑温度的UH模型相比,提出的新模型仅增加了1个抗拉强度参数,既能反映冻结黏土的前期固结压力随温度降低而升高的特性,又能反映冻结黏土随温度降低黏聚力提高的强度特性。新模型的温度适用范围为-1~-30℃,与已有的试验结果进行对比,结果显示,新模型能够较为合理地描述冻土的基本力学特性。     

一种新型冻土可视化试验系统及其在冻融试验中的应用

为了提高冻土试验系统的控温精度、实现分凝冰发育过程的实时监测,基于固态制冷技术和线阵CCD(Charge Coupled Device)扫描成像技术,研发一种新型冻土可视化试验系统。该系统的核心部件包括固态控温模块和CCD可视化模块。在固态控温模块中,引入人工神经网络对控温算法的控制参数进行优化选取,使得试验系统对控温对象的温度状态具备自适应调节能力。而在CCD可视化模块中,使用CCD感光元件构建了操作简便、成像精度高的线阵扫描结构,其最高分辨率可达4 800 dpi×4 800 dpi。性能测试结果显示系统的恒温控制精度为±0.002℃。在变温幅度为0.05℃的控温过程中,其温度过冲只有0.009℃;当变温幅度增加至0.5℃时,其温度过冲仅为0.089℃。而在线性降温过程中(降温速率-1.2℃/h),其控温误差未超过±0.01℃。在此基础上,开展正弦温度波动下的应用试验。从试验结果上看,该系统运行稳定、控温精度高,可视化模块可观测到0.5mm宽度的分凝冰发育过程。并且所得数据表明土体过冷过程和冻融历史对温度场、分凝冰发育状态存在显著影响。因此,当前冻胀试验中为了消除过冷影响而采取的预冻结处理方式会改变土样的初始状态,从而影响土体冻胀特性的评估结果;而且所采取的单次冻结的试验方式无法反应冻融历史对冻胀特性的影响,尤其是对于室内重塑土样。相关研究有待深入,而该试验系统为开展此类研究提供了条件。     

一种新型冻土可视化试验系统及其在冻融试验中的应用EI北大核心CSCD

为了提高冻土试验系统的控温精度、实现分凝冰发育过程的实时监测,基于固态制冷技术和线阵CCD(Charge Coupled Device)扫描成像技术,研发一种新型冻土可视化试验系统。该系统的核心部件包括固态控温模块和CCD可视化模块。在固态控温模块中,引入人工神经网络对控温算法的控制参数进行优化选取,使得试验系统对控温对象的温度状态具备自适应调节能力。而在CCD可视化模块中,使用CCD感光元件构建了操作简便、成像精度高的线阵扫描结构,其最高分辨率可达4 800 dpi×4 800 dpi。性能测试结果显示系统的恒温控制精度为±0.002℃。在变温幅度为0.05℃的控温过程中,其温度过冲只有0.009℃;当变温幅度增加至0.5℃时,其温度过冲仅为0.089℃。而在线性降温过程中(降温速率-1.2℃/h),其控温误差未超过±0.01℃。在此基础上,开展正弦温度波动下的应用试验。从试验结果上看,该系统运行稳定、控温精度高,可视化模块可观测到0.5mm宽度的分凝冰发育过程。并且所得数据表明土体过冷过程和冻融历史对温度场、分凝冰发育状态存在显著影响。因此,当前冻胀试验中为了消除过冷影响而采取的预冻结处理方式会改变土样的初始状态,从而影响土体冻胀特性的评估结果;而且所采取的单次冻结的试验方式无法反应冻融历史对冻胀特性的影响,尤其是对于室内重塑土样。相关研究有待深入,而该试验系统为开展此类研究提供了条件。     

单次降温条件下硫酸盐渍土盐冻胀试验研究

为研究单次降温条件下不同压实度、含水率、含盐量对宁夏地区硫酸盐渍土盐冻胀的影响,进行了室内配置试样试验。结果表明:在单次降温条件下,该地区硫酸盐渍土的起胀温度随含盐量增加而增大。随着温度变化,盐冻胀过程表现为4个阶段:35 ℃~ 5 ℃之间属于纯盐胀阶段,5 ℃~-5 ℃之间属于调整阶段,-5 ℃~-10 ℃之间属于盐冻胀阶段,-10 ℃~-25 ℃之间属于稳定阶段。当压实度较低、且含盐量在2%以内时,盐冻胀率随含盐量增加有所增大;当含盐量超过2%后,盐冻胀率随含盐量增加呈先增大后减小发展趋势,并在含盐量5%时达到峰值。当压实度为100%时,盐冻胀率随含盐量增加而增大。当含盐量较小时,达到最优含水率时盐冻胀率较大;而随含盐量逐渐增大,盐冻胀率随含水率增加呈先减小后增大变化趋势。总体来看,压实度越高、含盐量越大、越接近土体最优含水量时,盐冻胀率也越大。该研究可为硫酸盐渍土地区的工程建设提供参考。     

分凝势评价土体冻胀敏感性的有效性验证

冻胀率作为常规的冻胀评价指标,只能预估土体的冻胀变形。为了较好的评价土体的冻胀性,验证分凝势模型能否有效的评价土体的冻胀敏感性,基于室内冻胀试验,实测土体冻结过程中的温度场和冻胀变形。依据Konrad模型计算分凝势;分析了分凝势随冻结时间的发展规律、分凝势与冻胀变形和冻胀速率的关系。研究表明:单向冻结条件下,饱和粉质黏土冻结过程中的分凝势与冻胀变形和冻胀速率具有较好的正相关性。分凝势可以有效评价土体的冻胀敏感性,表征冻土的变形趋势和冻胀程度。     

土体冻胀对桩锚支护结构影响试验研究

在我国西北季节性冻土地区,冬季土体冻胀对基坑安全危害不容忽视。为探究土体冻胀与桩锚支护结构间的相互作用,进行桩锚支护结构基坑冬季室外试验。通过研究冻胀作用下桩锚支护结构内力与桩后土压力的变化规律,得出以下结论:浅层桩侧土压力易受温度与土体含水率等多种因素影响产生突变;支护桩上部内力随冻胀次数增加而增大,锚杆能够减弱土体冻胀对桩身内力的影响;温度降低可使桩身上部弯矩增幅变大;锚杆自由段应力大于锚固段,且锚固段应力易受冻胀作用影响产生增长。所得结论可为桩锚支护结构在季冻区基坑工程中的应用提供参考。     

冻土毛细-薄膜水迁移统一模型及其试验验证

针对毛细水迁移机制难以解释冻结缘及不连续分凝冰的形成,薄膜水迁移机制难以解释孔、裂隙间水迁移造成的不均匀冻胀,在毛细理论和冻结缘理论的基础上,通过对冻结缘区增加一组不同孔径的毛细管,对所有毛细管壁增加一层未冻水膜,构建出冻土的毛细-薄膜水分迁移统一模型。该模型从液压驱动角度分析了冻结大孔和未冻小孔中的液压、冰压以及驱动力分布,统一了冰透镜体暖端的液压驱动力与表面吸附力,并结合分凝冰形成机制,推导出分凝-冻结温度的控制方程。再根据表面吸附力、冻结缘渗透系数随分凝 冻结温度的变化律,在达西定律的基础上,给出了水分迁移速度的显式方程。最后,将Konrad冻胀试验中的主要参数代入该显式方程,发现理论计算值与试验值高度一致,验证了该模型的正确性。     

气态水迁移诱发非饱和粗粒土冻胀的试验研究

寒区高铁粗粒土路基冻胀机理问题一直困扰科研和工程技术人员,气态水迁移诱发冻胀是目前广被关注的解释之一,但在直接试验证据方面研究较少。为证明气态水迁移可以诱发非饱和粗粒土冻胀,并进一步阐释非饱和粗粒土的冻胀机制,基于新开发的粗粒土冻胀试验仪,开展了系列的室内试验。结果表明,仅有气态水补给条件下,无细粒含量的粗粒土发生了明显冻胀,试验测得6 cm高的土柱336 h的冻胀量可达8.30 mm,672 h的冻胀量达到23.46 mm。基于X-CT扫描试验观察了气态水补给下冻胀粗粒土中冰的分布特征,发现在恒定温度梯度下冻土中无层状分布的冰透镜体,仅存在一条包含分凝冰和饱和孔隙冰的水平冻结带。冻胀试验发现土柱的冻胀量随温度梯度的增大而增大;梯度降温更有利于气态水的迁移补给,并导致更大的冻胀;土柱的初始含水率越高,越不利于气态水在土中的迁移,冻胀量越小。气态水补给诱发冻胀的试验现象,对传统液态水在细颗粒中成冰冻胀的冻土理论形成了较好补充,同时对揭示寒区高速铁路路基的冻胀机制有重要价值。     

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。     

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。     

兰新线路基土冻胀特性试验分析

为了研究兰新线路基土冻胀特性,进行了不同含水量、不同压实度的封闭系统冻胀试验和开放系统冻胀试验。试验结果表明,在封闭系统下冻胀量随含水量的增大而增长,随压实度增加而减少;开放系统冻胀量远大于封闭系统冻胀量,且与初始含水量有关;在冻结的过程中,冻土中的水分出现了重分布现象。     

基于地热能的寒区路基主动供热防冻胀方法研究

路基冻胀是寒区铁路、公路运营的主要障碍之一,基于人工供热技术,提出一种更具实时性和有效性的主动供热防冻胀方法。结合寒区地热能利用的资源性和技术性优势,设计与制作一款路基专用直接膨胀式热泵装置,通过不间断运行试验和恒温运行试验(30℃、45℃、60℃、75℃),研究其供热性能和机组运行状态。试验表明:该系统在冬季供热温度最高达90℃以上,吸热温度可达-8℃以下。热泵日均理论制热系数(COP)为3.68～7.37,供热量损失率在30%以上,且随供热温度与运行时间的增大而减小。热泵运行初期在土体中的径向热扩散速率可达14.7 cm/h,热扩散速率和土体升温幅度均随着与热泵距离的增大而减小。研究成果可为寒区路基工程主动供热防冻胀应用提供参考。     

不同路径下土体单向冻胀过程力与变形试验研究

为探讨不同路径下土体冻胀过程中力与变形的发展规律,采用现有及改进的试验设备进行室内单向冻胀试验。考虑到约束力会对未冻土产生压缩变形,故通过不同荷载作用下的融土压缩试验拟合出合理的换算公式,并将这种关系运用到冻胀试验结果分析中。在冻胀试验过程中,实时监测温度、力以及位移的变化,同时观察试样外观表象并在试验结束后分层测取含水量。通过分析冻结过程各变量之间的关系,间接证明约束力抑制冻胀的内在机制是抑制了水分迁移;而冻胀过程中约束力与约束率之间的关系受路径的影响不显著,P-θ坐标点由上下两条边缘线包络而形成带状分布区域,上边缘线为最安全关系曲线;此外亦可依据冻胀规律反演不同路径下力与变形随时间发展的近似过程。本试验结果或可对冻土区地基的设计和管道与冻土相互作用研究提供理论指导和建议。     

砂岩抗拉强度的温度作用效应试验研究

高温作用后岩石内部结构会发生变化,并导致其抗拉强度也发生相应变化。本次试验利用高温炉和电液伺服试验机研究了高温作用后砂岩抗拉强度的变化特征。研究结果表明:砂岩抗拉强度随温度的升高(25~900℃)整体呈下降趋势,抗拉强度—温度的变化曲线可分为四个阶段:温度从25℃至300℃,砂岩抗拉强度因自由水、结合水的蒸发缓慢减小;温度从300℃至600℃,砂岩因结晶水、结构水蒸发以及结构热应力的作用,抗拉强度迅速降低;从600℃升至800℃,砂岩矿物的熔融及钙、镁等碳酸盐的分解使其抗拉强度持续下降;温度从800℃升至900℃,热应力继续增大,砂岩抗拉强度随着宏观裂隙的形成而急剧减小。     

冻融循环下冷却温度对粉质黏土力学性质影响的试验研究

 环境温度是土体冻结和融化过程中常见的变量。为明确冷却温度对土体冻融循环效应的影响规律,以青藏高原粉质黏土为对象,进行不同冷却温度和冻融次数的冻融循环试验及三轴剪切试验,并测定试样冻融循环后的水分重分布和体积变化特征。结果表明,冻胀和冻缩在冻结过程中是同时存在的,且均随冷却温度的降低而增大,两者正负变形量比例关系的不同是土体冻融循环效应多变的主要原因之一。随着冷却温度的降低,由于冻胀先于冻缩达到极限状态,体积增加量呈先增大、后减小的规律,转折点对应的是冻胀和冻缩在微小温差条件下变形附加量相对大小关系发生改变的临界温度值。破坏强度随冷却温度的变化与干密度一致,呈先减小、后增大的规律,以劣化为主。未冻水含量和水分迁移量均随冷却温度的降低而减小,因此冷却温度越低,破坏强度随冻融次数的变化范围越小,达到新的稳定状态所需的冻融次数也越少。黏聚力和内摩擦角随冷却温度和冻融次数的变化规律可以采用Logistic模型拟合与预测,以方便工程应用。     

冻结法施工中的冻土特性试验研究

为获得冻结法施工中土体冻胀融沉特性规律,以某地下联络通道工程为原型,根据相似理论,进行了水平冻结模型试验。结果表明,冻胀融沉过程中,土体温度先迅速降低后升高,维持在0℃一段时间后,继续缓慢升高至室温;土压力值先增加后减小,其中,竖向土压力值随深度的增加而增大,相同埋深下,距冻结管越近,水平土压力值越大;土体融化固结沉降值明显大于冻胀位移值,土体竖向位移较水平位移变化显著。积极冻结期内土体温度降低速率变慢,且埋深越大、距冻结孔越近,土体温度降低越快、降幅越大;无侧限土体压力值先增加后减小,侧限土体压力值则逐渐增大,全封闭土压力值变化率更显著。     

南通地铁典型土层冻胀特性试验研究

冻土的冻胀特性是地铁隧道的重要资料,在-5℃,-10℃,-15℃下,针对南通地铁典型土层冻结黏土进行冻胀力和冻胀率的试验,获得冻胀程度随时间的变化规律,基于此,利用试验数据对传统冻胀率公式进行优化,改进后的公式运用在具体工程中的计算值能很好的拟合试验值,故能更有效表征南通地区地铁典型土层冻土的冻胀特性,可为南通地铁建设中冻结法隧道建井提供可靠资料。     

软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。